德国ETAS氢燃料电池系统PEM建模与HiL仿真测试方案

2020-04-23 01:59:41· 作者：富瑞博新能源

ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型能记录完整的燃料电池系统，包括堆栈、外围设备和柔性ECU。其包含一个可以对水流、温度影响和反应动力学详细模拟的一维PEM-FC堆栈。柔性ECU也能保证在工作站进行直接的闭环试运转。德国ETAS集团燃料电池系统建模与仿真测试方案PEM-FC hil LABCAR-MODEL-FC模型能确保用户逼真地模拟出燃料电池系统，从而对HiL系统中的ECU进行测试。其模块化的模型架构可以让特定的客户对氢气、氧气和冷却系统进行模拟。

燃料电池（英语：Fuel cell）是一种主要透过氧或其他氧化剂进行氧化还原反应，把燃料中的化学能转换成电能的发电装置。最常见的燃料为氢，其他燃料来源来自于任何的能分解出氢气的碳氢化合物，例如天然气、醇、和甲烷等。燃料电池有别于原电池，优点在于透过稳定供应氧和燃料来源，即可持续不间断的提供稳定电力，直至燃料耗尽，不像一般非充电电池一样用完就丢弃，也不像充电电池一样，用完须继续充电，也因此透过电堆串连后，甚至成为发电量百万瓦(MW)级的发电厂。量输出给DC-DC Converter, 及其备用电池，对其进行充电，充电有低压部分，及高压部分，根据系统架构而定义，然后直接驱动电机进行动力输出。由于系统急加速，急减速的需要，有时候在系统中会包含一个超级电容。用于电机系统急加速急减速的需要。

根据发动机原理，对其系统进行形象化解释，空气供给系统与内燃机中的空气系统基本类似，也有一个增压器进行系统空气的增压，不过是电增压，内燃机为废气增压，氢气供给系统类型与燃油系统，进行燃料的供给，其实最为相近的为天然气发动机。其中的氮气供给系统类似于柴油机SCR的压缩空气的作用，由于氢气的爆燃特性，当燃料电池不工作时候，系统的管路里面需要氮气进行供给，进行扫气的操作。冷却系统与发动机的冷却系统也大致一致，没有特别大的差距，发动机一部分的冷却风扇为发动机曲轴带动，而燃料电池都为电池驱动电力风扇。德国

ETAS集团燃料电池系统建模与仿真测试方案PEM-FC hil

ETAS GmbH 成立于 1994 年，是罗伯特博世联合企业的一部分，是车用电子控制系统以及相关嵌入式控制系统软件开发工具和测试设备的领先供应商。ETAS 致力于为车用嵌入式系统的整个生命周期提供支持性的创新产品。ETAS 可向全球的汽车 OEM 以及电控单元的一级供应商提供产品与服务。本公司在全球拥有约 700 名员工，年营业额达到约 1.4 亿欧元。以下是有关本公司的概要介绍。ETAS 全球化网络是在全球范围内构建起的一个由办事机构和研发中心组成的网络，通过该网络进行产品的开发、配置并提供技术支持。本公司相信，对于建立长期、成功的客户关系来说，在地理位置上与客户接近将具有至关重要的意义。ETAS 集团总部位于德国斯图加特，在美国、日本、韩国、中国、印度、法国、英国、意大利、巴西及俄罗斯联邦均设有地区分公司或办事机构。每一处办事机构都提供客户账户管理、客户技术支持、区域内项目管理以及工程技术服务资源等。德国ETAS集团燃料电池系统建模与仿真测试方案PEM-FC hil

众所周知,传统燃油汽车短期内无法在节能减排上实现突破性的进展;同时,纯电动汽车又在续航里程、充电速度、电池废后污染等方面很难得到较好的解决,这使得各国科研工作者及相关企业,将车用能源的理想目标转向质子交换膜燃料电池,从而开展了大量的科学研究与实车试验。为了提高燃料电池的使用寿命以及运行的高效性、稳定性和安全性,本文对燃料电池系统建模及温度控制进行了研究,并讨论了燃料电池与整车的功率匹配。基于电化学反应理论,建立了考虑双电荷层效应的、包含反应气体相对湿度、流量、工作负载、温度的燃料电池多因素稳态模型,分析了反应气体相对湿度、空气流量和工作负载对燃料电池性能的影响,输出结果与燃料电池工作特性相符,验证了建立模型的正确性。并在此基础上根据传质传热、质量守恒和能量守恒定律,建立了燃料电池温度模型及负载变化时燃料电池瞬态温度模型,分析了空气流量对燃料电池温度的影响以及工作负载变化时系统温度的变化,结果表明适当提高空气流量可以降低燃料电池的温度,负载大小与系统温度成正相关性,对燃料电池的温度控制具有一定的意义。

ETAS的LABCAR-MODEL-FC模拟燃料系统性能。模拟整个系统-从PEM-FC（高分子电解膜燃料电池）堆栈到反应物和冷却剂的供应-以确保对燃料电池系统ECU的可靠性测试和校准。

LABCAR-MODEL-FC可以模拟堆栈、氢气供应、氧气供应和冷却剂供应的详细过程。此技术基于对物理过程的精确模拟，而这些模拟都是基于对电解反应的复杂计算以及基于对堆栈和外围设备之间相互作用的复杂计算得出。鉴于现代燃料电池堆栈的复杂性,要对堆栈进行一维（1D）空间分布模拟。为了满足当前和未来的要求，可以实现对二维（2D）堆栈模拟进行特殊扩展，其燃料电池系统的模拟模型可用于完成基于HiL的校准（LABCAR-MODEL-FCCAL）。基于PC的模拟目标LABCAR-RTPC能为实时模拟提供所需的电源。 LABCAR-MODEL-FC模拟模型可以让用户在硬件在环测试台上对燃料电池的ECU进行早期的测试和优化。

与纯电动汽车相比，氢燃料电池汽车具有加注时间短，续航里程长等优势，是未来汽车工业可持续化发展的重要方向。目前，氢燃料电池汽车产业正在兴起。氢能是一种清洁能源，氢燃料电池只会产生水和热，并不会产生二氧化碳，对环境无任何污染。德国ETAS集团燃料电池系统建模与仿真测试方案PEM-FC hil

燃料电池系统的典型架构-使用ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型进行模拟的依据

LABCAR-MODEL-FC（用于hil测试的燃料电池系统模拟模型）

ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型能记录完整的燃料电池系统，包括堆栈、外围设备和柔性ECU。其包含一个可以对水流、温度影响和反应动力学详细模拟的一维PEM-FC堆栈。柔性ECU也能保证在工作站进行直接的闭环试运转。

LABCAR-MODEL-FC模型能确保用户逼真地模拟出燃料电池系统，从而对HiL系统中的ECU进行测试。其模块化的模型架构可以让特定的客户对氢气、氧气和冷却系统进行模拟。

模型扩展装置

LABCAR-MODEL-FCCAL模型（用于基于HiL校准的燃料电池系统模拟模型）

ETAS的LABCAR-MODEL-FCCAL模型（燃料电池校准）是一种二维的PEM-FC堆栈模型，用于详细地模拟电、水、和压力分布。鉴于此模型具有模块化的设计特点，并且还配有参数化的工具，因此其可以跟现有的LABCAR-MODEL-FC模型进行无缝整合。

两种变体均可整合到LABCAR-MODEL-VVTB模型整车模拟中（虚拟车辆测试台的模拟模型，用来进行HiL测试）。

LABCAR-MODEL-FC

在汽车应用中，通常优先使用PEM-FC燃料电池，因为其具备启动快、能量密度高和动力学稳定的优良特点。为了给客户在此大有前途的创新领域提供支持，ETAS提供了燃料电池系统的LABCAR-MODEL-FC模拟模型，用来进行HiL测试。

测试用于燃料电池系统的ECU

ETAS模拟模型的优势

ETAS燃料电池模型包括用于模拟堆栈和外围设备的Simulink®元件库和各种电解槽模型。模型的实时性有利于测试燃料电池ECU时与ETASHiL系统的整合，还可以同时进行安全相关的故障模拟和ECU软件的初始预标定。由于这些模型考虑到了所有相关的物理现象，可以用来测试所有项目，包括基础软件、高级控制、操作和诊断性功能。ETAS的模拟模型组合提供HiL模拟，包括独家提供的硬件、软件和模拟模型。

应用

用户可针对具体的汽车要求，进行大量的典型性闭环ECU测试：德国ETAS集团燃料电池系统建模与仿真测试方案PEM-FC hil

*测试用于氢气供应的典型ECU功能：

*惰性气体测定、清洗方法、气体引射器控制

*测试用于氧气供应的典型ECU功能：

*空气压缩机控制、水再循环

*测试用于冷却系统的典型ECU功能：

*冷却方法、泵控制、散热器激活

*测试用于诊断和管理的典型ECU功能：

*渗漏检测、冷启动、压力协调、紧急关闭

*针对优化运行的设计和校准：

*水管理、电厂辅助设备

优势

LABCAR-MODEL-FC有助于对所有项目进行测试，包括基础软件精密控制、运行、和燃料电池ECU的诊断功能。德国ETAS集团燃料电池系统建模与仿真测试方案PEM-FC hil

LABCAR-MODEL-FCCAL扩展模型提供了2D堆栈模型，可以实时精准地模拟出电池电压、电解膜状态或水再循环过程，从而满足当前和未来的要求。

该模型可以同LABCAR-MODEL-VVTB进行整合（用于HiL测试的虚拟车辆测试台模拟模型）

ETAS独家提供硬件、软件和模型，以及客制化技术服务和专家咨询。

用于HiL测试的燃料电池系统模拟模型（LABCAR-MODEL-FC）包括对PEM-FC堆栈的一维模拟，以及对反应物和冷却剂供应系统进行详细和模块化记录。还能提供操作燃料电池ECU所需的所有相应接口。

用于基于HiL校准的燃料电池系统模拟模型（LABCAR-MODEL-FCCAL）为LABCAR-MODEL-FC模型增加了2D空间分辨堆栈模拟，并且能详细洞察电池性能。除了有助于对ECU在闭环控制回路中运行时的基础校准外，其还能让用户对最佳堆栈运行的功能进行测试，以及在早期开发阶段将电池降解降至最低。德国ETAS集团燃料电池系统建模与仿真测试方案PEM-FC hil

因LABCAR-MODEL-FC和LABCAR-MODEL-FCCAL基于PC的模拟目标LABCAR-RTPC以及开放性，可对其进行定制并满足不同的要求。Simulink®的开放性安装启用特点让开发者可以选择对ETAS或其它供应商提供的元件模型进行整合。

除了模拟模型外，ETAS还对所有开发需求提供技术支持服务和咨询。

用于HiL测试的燃料电池系统模拟模型

燃料电池系统的典型架构-使用ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型进行模拟的依据

LABCAR-MODEL-FC（用于HiL测试的燃料电池系统模拟模型）

ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型能记录完整的燃料电池系统，包括堆栈、外围设备和柔性ECU。其包含一个可以对水流、温度影响和反应动力学详细模拟的一维PEM-FC堆栈。柔性ECU也能保证在工作站进行直接的闭环试运转。德国ETAS集团燃料电池系统建模与仿真测试方案PEM-FC hil

传感器信号仿真

传感器信号仿真主要通过 ETAS 自有的 I/O 板卡实现。本方案中普通的信号级传感器信号采用 ES5350 模拟信号输入输出板卡、ES5321 PWM 及数字信号输出板卡及工程部件实现；FUEL CELL 相关的温度信号(电阻信号)采用 ES5385.1 模拟;发动机特有信号的模拟和采集采用 ES5340.2-ICE 板卡实现。

ES5300 实时仿真计算机及 ES5350、ES5340、ES5321 和 ES5385.1

电流传感器仿真

执行器信号采集

同上，采用安装在 ES5300 实时仿真机上的 ES5350 模拟输入板卡和 ES5321 PWM 板卡检测控制器的执行器控制信号。对于特殊的负载，采用真实器件负载箱实现，如高压接触器和充电电子锁等。德国ETAS集团燃料电池系统建模与仿真测试方案PEM-FC hil

实验环境 EE 提供了测试执行的用户界面。它提供了实验和图形用户界面，集成的参数和数据管理，代码下载，实验执行，实时信号产生和测量数据记录方法，以及信号管理。实验环境是整个测试项目中手动测试的环境，所有的测试都在这里进行。有 LABCAR IP 生成的实时代码需要在这里下载到 RTPC 里面并且开始模拟。通过 Experi- ment Explorer 窗口中进行参数集群和文件管理也是 LABCAR 软件的特色。

EE 软件用户界面和虚拟仪表

EE 里面还有不同的图像组件，包括常用的各种虚拟仪表，可以用来做成不同的用户界面。EE 里面可以观察和修改标定量，控制模型的运行，选择不同的运行模式，实时记录运行数据，以及接入编写的信号发生器信号。同时用户可以方便地通过拖拽来加入或编辑这些组件。

模型方案

燃料电池堆动力学模型

ETAS LABCAR-MODEL-FCCAL 是一个 1-D+1-D 的燃料电池堆站模型，该模型包含 1-D 的燃料电池单体膜模型和 1-D 的双电极及气体通道仿真模型。1-D 的燃料电池单体膜模型能够对燃料电池膜的内阻，电极之间氧和氢反映生成水的情况进行仿真；1-D 的双电极及气体通道仿真模型能够仿真双电极间气体在通道内非线性分布的特性，包括温度，电流，沿电芯堆叠方向的气体压力变化，以及对冰点温度影响等。

ETAS LABCAR-MODEL-FCCAL 模型可以考虑为将燃料电池堆沿着气路方向分为多个小模块，如下图所示。Z 坐标所示方向为气体流动方向，X/Y 坐标表示垂直于膜和气流方向

。每一个小模块代表所有燃料电池功能层，包括两个电极板，气路通道，气体扩散层以及膜。燃料电池模型的采用上述基本架构，在子系统中包括有完整功能层，每个小

模块均可对外提供数据接口，同时也能适用于用户的模型扩展要求。

LABCAR-MODEL-FCCAL 仿真模型包含：

•单电池模型，并考虑到电流、温度、反应物化学计量数以及膜湿度对电池电压损耗的影响计算。德国ETAS集团燃料电池系统建模与仿真测试方案PEM-FC hil

•基于一维膜模型的含水量和水交换量的详细计算。

•一维多组分气体通道模型允许为每个电极指定单独的气体成分。

•不同的流场设计仿真。支持内部电池加湿的顺/逆流量设置。

•基于膜温度模型、电池含水量的非线性动态特性和受温度影响的流体性质的实际冷启动行为。

•考虑气体通道内液态水的积聚和运动的两相水模型。

• 具有两种膜类型的默认堆栈参数设置。传输范围

绑定到单一 MAC 地址的节点版许可文件